Universitäten auf der ganzen Welt bewegen sich in Richtung webbasiertes Lernen, vor allem aufgrund des kürzlichen Ausbruchs von COVID-19, der im Alleingang die Art und Weise verändert hat, wie Universitäten weiterhin unterrichten konnten. Die traditionelle Art, Studenten der Biowissenschaften zu unterrichten, verlagerte sich von Lehrbüchern, Vorlesungen und Laborsitzungen hin zu einem komplett webbasierten Lernsystem.
Ein effektives virtuelles Klassenzimmer wird das Lernen der Schüler verbessern und eine sichere Lernumgebung für Lehrer und Schüler gleichermaßen schaffen. Aber nicht jeder hat genügend Ressourcen, um diese digitale Transformation durchzuführen.
Warum ist die Einrichtung eines virtuellen Unterrichtsraums wichtig?
Ein virtuelles Klassenzimmer oder webbasiertes Lernen ist eine innovative Möglichkeit, Studenten während der COVID-19-Pandemie zu beschäftigen. Wie viele Universitäten auf der ganzen Welt konnten sie den Unterricht nicht für längere Zeit einstellen. Sie mussten einen neuen Weg finden, um ihre Studenten effektiv zu beschäftigen und zu unterrichten. Wenn sie diese Aufgabe nicht bewältigen konnten, dann leiden alle darunter. Die Studenten sind nicht in der Lage, ihre Ausbildung fortzusetzen, und in vielen Fällen, vor allem in den Vereinigten Staaten, steht ihr Geld auf dem Spiel, ohne dass eine Rückerstattung gewährleistet ist. Die durchschnittlichen jährlichen Kosten für Unterkunft und Verpflegung an öffentlichen Colleges liegen bei 11.500 $ und bei Privatschulen bei fast 13.000 $ [1]. Pädagogen und Studenten mussten weitermachen, und die einzige Möglichkeit, dies zu tun, bestand darin, eine alternative Lösung zu finden, eine kollaborative Lösung, denn teambasierte Lernmethoden tragen zu einem tieferen Verständnis und langfristigem Behalten bei.
Die zugrundeliegende Notwendigkeit ist, dass das virtuelle Klassenzimmer sowohl für die Schüler als auch für die Lehrer effektiv sein muss. Es gibt 5 allgemeine Schritte, die man in Betracht ziehen muss, um ein virtuelles Klassenzimmer zu schaffen, in dem Schüler effektiv kollaborativ lernen können.
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Schritt 1: Glasobjektträger
Glasobjektträger sind im Wesentlichen der Ausgangspunkt für diesen Prozess. Ohne Objektträger gäbe es kein Material, das die Schüler analysieren könnten. Lehrer sollten eine Sammlung von Glasobjektträgern haben, die darauf warten, digitalisiert zu werden. Bei der Auswahl der Proben ist es wichtig. Die Qualität der Proben kann eine große Rolle spielen, wenn man beginnt, sie zu digitalisieren. Wenn die Proben alt sind und die Färbung verblasst ist, dann ist es viel schwieriger, einen hochwertigen digitalen Scan zu erstellen.
Eine andere Möglichkeit ist es, bereits digitalisierte Probensammlungen von anderen Universitäten oder Archiven zu bekommen, die sie zur Verfügung stellen.
Schritt 2: Digitales Mikroskop/ Objektträgerscanner
- Muss ich ständig neue Objektträger scannen oder reicht ein einmaliges Scannen eines Mustersatzes?
- Wie viele Objektträger müssen pro Tag gescannt werden?
- Welche Art von Material wird gescannt, und welche Art von Objektiv benötige ich?
- Brauche ich vorgescannte Objektträger zum Verteilen und Weitergeben?
- Oder kann ich die Objektträger live mit Echtzeit-Scanning über Bildschirmfreigabe präsentieren?
Um Ihre Proben zu digitalisieren, können Sie zwischen verschiedenen Systemen wählen:
1. Mikroskope mit an der Oberseite angebrachten Kameras
Die nur eine Live-Darstellung der gezeigten Region von Interesse ermöglichen und in ihrem Sichtfeld eingeschränkt sind. Das Bild der Kamera können Sie dann per Bildschirmfreigabe teilen. Sie sind in der Regel günstiger, aber auch begrenzt.
2. Hybrid-Mikroskope und -Scanner
Die sowohl das Scannen ganzer Objektträger als auch die Live-Betrachtung der Proben ermöglichen. Live-Ansicht bedeutet, dass Sie sofort durch den gesamten untergelegten Objektträger navigieren und jedes Detail betrachten können, ohne warten zu müssen. So können Sie die Objektträger sofort direkt am Mikroskop dem Publikum präsentieren. Es wird jedoch keine Datei erstellt. Beim Scannen des gesamten Objektträgers wird eine virtuelle Mikroskopie-Datei des Objektträgers erstellt. Auf diese Weise können Sie selbstständig online an kompletten virtuellen Objektträgern arbeiten und diese freigeben. Diese Hybridsysteme bieten die größte Flexibilität.
3. Dedizierte Scanner
Arten von digitalen Mikroskopen und Scannern
Scanning-Fähigkeiten
Viele Qualifikationen hängen von der Abteilung oder Anwendung ab, die angesprochen werden soll. Es gibt Scanner auf dem Markt, die bei 100-facher Ölimmersion scannen können, was für die Ausbildung von Studenten, die sich mit der Morphologie von Blutzellen befassen, besser sein könnte, und dann gibt es welche, die in ihren Scanfähigkeiten eingeschränkt sind. Sobald jedoch ein Scanner oder ein digitales Mikroskop/Hybrid ausgewählt wurde, kann der Prozess der Digitalisierung der Glasobjektträger beginnen.
Verfügbare Technologien
Konventionelle manuelle Digitalmikroskope (Mikroskope mit angeschlossener Kamera), Hybridsysteme und Objektträgerscanner werden derzeit von mehreren Firmen weltweit angeboten. Die Preise variieren von wenigen Tausend bis hin zu mehreren Hunderttausend Euro aufwärts. So bieten beispielsweise Motic, Hamamatsu, Zeiss, 3DHistech, Leica, Aperio, Philips und PreciPoint Scanner und/oder Digitalmikroskope mit unterschiedlichen Fähigkeiten an.
Optionen für den Durchsatz
Je nach Durchsatzanforderung gibt es Unterschiede. Einige verfügen über einen Slide Loader, der es ermöglicht, mehrere Slides in eine Kassette zu laden. Im nächsten Schritt kann der Slide Scanner diese nacheinander verarbeiten. Digitalmikroskope oder Hybridsysteme, bei denen die Objektträger manuell zugeführt werden müssen, sind jedoch wesentlich günstiger und für Ausbildungszwecke in der Regel gut geeignet.
Schritt 3: Bildspeicherung (Slide-Scanner)
Wie viel Platz wird für Virtuelle Schnitte benötigt?
Nachdem der Glasobjektträger den Scanprozess durchlaufen hat, muss ein Ort zum Speichern der digitalen Datei implementiert werden. Für ein Whole Slide Image (WSI) kann die Dateigröße im Durchschnitt von einigen MB bis zu 70 GB reichen, und dies hängt von der Vergrößerung, der physischen Größe der Probe und vor allem vom Dateiformat ab, in dem der Objektträger gescannt wird [2]. Einige Dateiformate sind aufgrund einer effektiven Komprimierung relativ klein. Ein weiterer Faktor ist die Größe der ROI (Region of Interest), die gescannt wird.
Wenn z. B. ein Professor eine Vorlesung über Hämatologie hält und die Probe mit 100-facher Ölimmersion gescannt hat, werden diese Scans eine große Menge an Daten liefern. Wenn Sie das mit jemandem vergleichen, der eine Klasse über Pathologie unterrichtet und nur ein 20x-Objektiv zum Scannen verwendet, würden die virtuellen Pathologie-Schnitte viel kleiner sein. Es ist also entscheidend, die benötigte Speicherkapazität zu betrachten.
Wo können die virtuellen Objektträger gespeichert werden?
Wenn es um die Speicherung der Bilder in einer Datenbank geht, gibt es nur zwei Möglichkeiten. Sie können die Datenbank auf einem lokalen Server oder in der Cloud (webbasiert) ablegen lassen. Die meisten Krankenhäuser und Universitäten verlangen, dass sich die Datenbank auf einem lokalen Server befindet, zum einen aus Gründen der Datensicherheit, zum anderen, weil bestehende Laborinformationssysteme einen lokal laufenden Server erfordern können. Es gibt Vorteile sowohl für die lokale als auch für die Cloud-basierte Speicherung, aber wie oben erwähnt, hat die lokale Speicherung die höchste Nachfrage. Entgegen einer weit verbreiteten Meinung hat eine Cloud-basierte Datenbank in der Regel eine bessere Skalierbarkeit und Datensicherheit. Für Studenten ist es viel einfacher, auf einen Cloud-basierten Speicherserver zuzugreifen, da sie sich nicht mit einem VPN verbinden müssen, um auf die lokal gespeicherten Daten zuzugreifen.
Schritt 4: Videokonferenzsoftware und Lehrplattform
Nun, da Sie einige digitale Präparate haben, die Sie zeigen können, ist es an der Zeit, diese und den dazugehörigen Lehrstoff Ihren Schülern zu präsentieren. Das Mindeste, was Sie dafür brauchen, ist ein Online-Konferenz-Tool.
Die Konferenz kann ein einfaches Online-Meeting sein, bei dem Sie Ihren Bildschirm mit den Zuhörern teilen, um ihnen Ihre Präsentation oder digitale Folien direkt von Ihrem Computer aus zu zeigen. Sie kann bei Bedarf auch aufwändiger sein, worüber wir im Abschnitt „Lehrplattform“ sprechen werden.
Es mag offensichtlich erscheinen, aber es ist wichtig, dass Sie einen ruhigen Ort und, wenn Sie Ihre Kamera einschalten, einen sauberen Hintergrund und genügend Licht haben. Für eine natürlichere Präsentation sollte Ihre Kamera auf Augenhöhe oder leicht darunter platziert werden. Und schließlich sollten Sie, bevor Sie mit Ihrem Unterricht beginnen, immer zuerst Ihre Technik testen.
Die Grundausstattung, die Sie benötigen, besteht aus:
1. Software für Videokonferenzen
2. Webcam (in Ihrem Notebook integriert oder abnehmbar)
3. Mikrofon (Notebook, Headset oder Stand-Alone-Mikrofon)
4. Audio (Notebook oder Kopfhörer)
5. Filesharing für Unterrichtsmaterialien (GoogleDrive, OneDrive, Lehrplattformen)
6. Digitale Mikroskopier-Objektträger (Live oder vorgescannt)
Lehrplattform
Einige kommerzielle Lehrplattformen gehen über das reine Speichern und Betrachten von Folien hinaus. Einige ermöglichen es akademischen Tutoren, umfangreiche Bibliotheken mit Folien zu erstellen, die von Studenten über das Internet eingesehen werden können. Virtuelle Folien, vorkommentierte Fälle, Prüfungen, Kursnotizen und multimediale Inhalte können in eine Lehrplattform integriert werden, so dass eine flexible digitale Folienressource entsteht, die von jedem Ort mit Internetzugang zugänglich ist.
Die meisten Lehrplattformen verfügen über gut gestaltete grafische Benutzeroberflächen und bieten viele lehrerfreundliche Funktionen, wie z. B. die Sichtbarkeitskontrolle, die es dem Administrator ermöglicht, Inhalte sequentiell für Benutzer freizugeben. Administratoren können auch den Kundenzugang zu virtuellen Folien für einzelne Schüler und bestimmte Schülergruppen definieren. Lehrplattformen können eingesetzt werden, um die Dynamik im Klassenzimmer komplett zu verändern und den Studenten sogar helfen, außerhalb des Unterrichts zu arbeiten und sich in ihrem eigenen Tempo weiterzubilden [3].
Schritt 5: Viewing/ Beobachten
In erster Linie benötigen die Schüler eine Betrachtungssoftware, um die gespeicherten Bilder zu betrachten.
Sie können die virtuellen Objektträger direkt auf ihrem PC betrachten, wenn sie die Viewer-Software lokal installiert haben, oder sie können eine Web-Plattform verwenden, um auf die Objektträger in ihrem Browser zuzugreifen. Einige Anbieter von Mikroskopen/Scannern stellen ihre Betrachtungssoftware kostenlos zur Verfügung, bei anderen müssen Sie prüfen, wie viel es kosten würde, genügend Lizenzen für die ganze Klasse bereitzustellen.
Es gibt zwei verschiedene Szenarien, wie Studenten die virtuellen Präparate betrachten können. Das erste Szenario ist, dass es eine Reihe von Computern gibt, die an ein Internet-Netzwerk mit einem Server angeschlossen sind, auf dem eine Datenbank (lokaler Server) mit Virtuellen Präparaten läuft und mehrere Studenten Zugriffsrechte auf die Inhalte haben. Dies kann auf viele Arten geschehen, abhängig von den Einschränkungen der Universität. Das zweite Szenario ist die Verwendung einer dedizierten Website oder eines Cloud-basierten Systems.
Bei Websites, die digitalisierte Objektträger hosten, müssen die Dateien komprimiert werden, um die Menge der digitalen Daten zu reduzieren. Die Qualität und einige Funktionen sind bei web-exportierten virtuellen Schnitte reduziert, aber sie können auch über eine weit entfernte Internetverbindung problemlos betrachtet werden [4].
Um dieses Problem zu lösen, werden die Virtuellen Schnitte nicht komplett auf einmal geladen, sondern es werden nur die Teile gesendet, die gerade vom Benutzer betrachtet werden. Auf diese Weise spielen die Dateigröße und die Komprimierung keine so große Rolle. Diese Technik ist von Online-Karten für die Autonavigation bekannt und ermöglicht ein flüssiges Erkunden der digitalisierten Objektträger. Um sehr einfach auf die Objektträger zugreifen zu können, sucht man am besten nach einer browserbasierten Lösung für die virtuelle Mikroskopie, die von jedem mit einem Computer oder einem mobilen Gerät genutzt werden kann.
Diese Methode eignet sich besonders gut für den Fernunterricht und das Selbststudium. Nach dem COVID-19-Virus konnten die Studenten beispielsweise nicht in ein mit Computern ausgestattetes Labor gehen. Das erste Szenario war nicht ideal und das zweite Szenario, bei dem die Studenten aus der Ferne lernen konnten, war in dieser Zeit das bessere von beiden.
[1] Nova, A. (2020, March 14). Your college closed early because of coronavirus. You might not get your money back. Retrieved from https://www.cnbc.com/2020/03/13/why-students-arent-getting-refunds-after-coronavirus-college-closings.html
[2] Lauro, G. R., Cable, W., Lesniak, A., Tseytlin, E., Mchugh, J., Parwani, A., & Pantanowitz, L. (2013). Digital Pathology Consultations—a New Era in Digital Imaging, Challenges and Practical Applications. Journal of Digital Imaging, 26(4), 668–677. doi: 10.1007/s10278-013-9572-0
[3] Krajci, Dimitrolos & Pospísilová, E & Cernochová, Drahomíra. (2011). Methods of application of virtual slides in modern histology practical teaching.
[4] Krajci, Dimitrolos & Pospísilová, E & Cernochová, Drahomíra. (2011). Methods of application of virtual slides in modern histology practical teaching.
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